Полевые транзисторы FET Полевым называется транзистор действие

Полевые транзисторы (FET)

Полевым называется транзистор, действие которого основано на использовании тока основных носителей заряда в полупроводнике (электронов и дырок). Управление током основных носителей осуществляется внешним электрическим полем. Первый полевой транзистор был создан в 1952 году В. Шокли. В настоящее время транзистор является почти универсальным активным компонентом радиоэлектронной аппаратуры. Полевые транзисторы также называют униполярными. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Преимущества полевого транзистора перед биполярным: ► Высокое входное сопротивление ► Малая потребляемая мощность ► Схемы с ПТ более помехоустойчивые ► Габариты ПТ значительно меньше, что позволяет повысить плотность компоновки интегральных схем на ПТ недостатки: ► Чувствительность к статическому электричеству

Имеется два типа полевых транзисторов: ► ПТ с затвором на p-n переходе (с управляющим p-n переходом) ► ПТ с изолированным затвором: • со встроенным каналом • с индуцированным каналом

Условные обозначения ПТ: ► ► ► а и б — с управляющим р-п переходом; в и г — с изолированным затвором и встроенным каналом; д и е — с изолированным затвором и индуцированным каналом. (Стрелка, направленная внутрь( обозначает транзистор с каналом типа n, а наружу — с каналом типа р).

ПТ с управляющим p-n переходом: Условные обозначения: С каналом n-типа С каналом р-типа С З И И Схема структуры исток затвор сток И- p + n p + З UЗИ - Принцип действия: Напряжение затвор - исток, приложенное к pn переходу в обратном направлении , изменяет ширину канала, по которому проходит ток исток - сток и, следовательно, его сопротивление. С канал (n-типа)

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n-каналом и управляющим р-n-переходом В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противоположных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Перекрытие канала в полевом транзисторе Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Характеристики ПТ с управляющим p-n -переходом и каналом типа n: Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при постоянном напряжении затвор-исток. На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора. Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо. Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Третья зона графика — область пробоя

Характеристики ПТ с управляющим p-n -переходом и каналом типа n: Стоко-затворная характеристика. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: исток затвор сток из олятор n канал n Подложка p З С И И с каналом n с каналом р Есть подложка из полупроводника с pпроводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с nпроводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностная перемычка, проводимость которой также nтипа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно. Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: исток затвор сток из олятор n канал n Подложка p З С И И с каналом n с каналом р А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения. Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти. Конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока.

ПТ с изолированным затвором и встроенным каналом: 1. При отсутствии управляющего напряжения (Uзи) через канал протекает ток между И и С. 2. При подаче Uзи прямой полярности (p+, n-) в канал притягиваются электроны из подложки его сопротивление уменьшается, ток через нагрузку растет. 3. При подаче напряжения обратной полярности электроны из канала выталкиваются сопротивление его увеличивается.

Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с встроенным каналом

МДП - транзистор с индуцированным каналом У транзистора с индуцированным каналом канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. Если подать напряжение только на исток и сток, ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт. Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т. е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе. Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Семейства стоковых и стоко-затворная характеристик транзистора с индуцированным каналом

МНОП – транзистор с плавающим затвором М - металл, Н – сплав HSi 3 N 4, О – оксид металла, П – полупроводник Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1 мкм. В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида Si. O 2 и толстый слой нитрида Si 3 N 4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28. . 30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой Si. O 2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой Si. O 2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28… 30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение. Применяются в интегральных микросхемах ЗУ в виде ячейки для хранения 1 бит информации

Схемы включения полевых транзисторов Чаще всего применяется схема с общим истоком, как дающая большее усиление по току и мощности. Схема с общим затвором усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение. Схему с общим стоком также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало. С общим истоком С общим затвором

Области применения ПТ: ► для работы во входных каскадах усилителей низкой частоты и постоянного тока с высоким входным сопротивлением ► для применения в широкополосных усилителях в диапазоне частот до 150 МГц, а также в переключающих и коммутирующих устройствах ► для применения в охлаждаемых каскадах пред усилителей устройств ядерной спектрометрии, и т. д.